가축분뇨 유래 온실가스 저감을 위한 저장 기술(2)
가축분뇨 유래 온실가스 저감을 위한 저장 기술(2)
  • 김해금
  • 승인 2020.12.16 12:19
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Non-CO2온실가스 저감기술개발사업 연구팀 인하대학교 김 동 훈
(연구팀 구성: 인하대학교, 한밭대학교, 성지환경, ELT센서)

지난호에 이어 계속하여 구축분뇨 유래 온실가스 저감을 위한 저장기술을 소개하고자 한다.  

2. 온실가스 및 악취 배출을 줄이기 위한 가축분뇨 저장 방법
최근 유럽을 중심으로 한 선진국에서는 가축분뇨가 저장되는 동안 배출하는 온실가스(CH4, N2O)와 악취(NH3, H2S)를 줄이기 위해 많은 노력을 기울이고 있으며 대표적으로 많이 활용되고 있는 저장 방법은 (1) 커버링, (2) 산성화, (3) 저온 저장이 있다. 커버링은 가축분뇨와 접촉해 있는 공기층 내 가스의 확산을 억제하거나 생성된 가스의 흡착 및 산화를 유도하여 가스 배출을 억제하는 방법으로 플라스틱 덮개, 진흙 알갱이, 톱밥 등과 같은 물질들이 주로 활용되고 있다. 산성화와 저온 저장은 커버링과는 다르게 가스 생성을 원초적으로 억제할 수 있으므로 세계적으로 많은 관심을 받고 있다. 산성화는 가축분뇨에 산을 첨가하여 미생물의 활성도를 낮춤으로써 가스 생성을 억제하는 저장 방법으로 이미 덴마크에서 상용화가 된 기술이다. 이 기술의 개발 초기에는 가축분뇨가 저장되는 동안 발생하는 NH3 휘발로 인한 질소 손실 억제를 통해 고품질의 액비 생산을 위해 활용되기 시작하였다. 이 때 pH를 5.0-6.0까지 낮추게 되는데, 온실가스 및 악취를 배출하는 미생물의 활성을 억제하는 역할을 동시에 할 수 있으므로 CH4과 H2S 배출을 줄일 수 있다. 저온 저장도 마찬가지로 낮은 온도에서 미생물의 활성도가 감소한다는 특징을 이용한 기술이다. 가축분뇨가 저장 중에 배출하는 대표적인 온실가스인 CH4은 5oC 이하의 온도에서도 미생물에 의해 생성되는 것으로 알려져 있지만 저장 온도를 25oC 이하로 낮추기만 하여도 최대 활성도를 띄는 중온 조건(35oC)에 비해 CH4 생성속도가 50% 이상 감소하는 것으로 알려져 있다. 이와 같은 온실가스 배출량과 온도의 상관성은 가축분뇨에서 배출되는 온실가스량을 예측하기 위해 많이 활용되고 있었지만 산성화가 어려운 고형물 함량이 높은 가축분뇨에 적용하기 위한 시도가 되고 있다. 최근 국내에서도 가축분뇨가 저장되는 동안에 배출하는 온실가스 및 악취 배출을 줄이기 위한 저장 방법이 개발되기 시작하였으며 국내 연구진들에 의해 개발된 (1) 산성화, (2) 저온 저장 방법을 소개하고자 한다.

 

내에서 개발된 가축분뇨 저장 방법의 악취 및 온실가스 저감 및 바이오가스 증진 효과

개발 기술의 연구팀은 가축분뇨 관리 및 배출되는 가스 측정에 관한 연구경력이 풍부한 2개의 대학기관(인하대학교, 한밭대학교)과 2개의 기업(㈜성지환경, ㈜이엘티센서)으로 구성되어 있으며 2017년부터 환경부 Non-CO2사업단(가축분뇨 유래 메탄 억제 기술 개발(2017002410003))”으로부터 연구비를 지원받아 연구를 수행해왔다. 주요 연구 내용은 (1) 온실가스 및 악취 배출 저감 방법 개발 및 검증, (2) 개발 기술이 적용된 가축분뇨를 바이오가스화 공정과 연계하여 생산량 증대를 확인이 있다. 혼합이 용이한 슬러리 타입의 가축분뇨(돈분뇨)에는 산성화를 고형물 함량이 높은 가축분뇨(우분)에는 저온 저장을 적용하였다. 각 기술들의 성능 평가는 실험실 규모(운전용량: 1 kg) 저장조를 이용하여 수행하였으며 그 결과는 아래 표에 정리하였다. 세 가지 기술 중 산성화 기술은 60톤 규모 파일럿 저장조(운전용량: 30 톤) 시스템에서 성능 검증을 수행하였다.
산성화를 적용한 결과, 돈분뇨의 pH를 6.0 이하로 낮추면 온실가스(CH4) 배출량이 90% 이상 감소하는 것으로 나타났으며 덴마크에서 많이 사용되고 있는 황산 대신에 구연산을 사용하더라도 안정적인 온실가스 배출 저감이 가능하다는 것이 확인되었다. 황산은 사용에 위험성이 있을 뿐만 아니라 잠재적 H2S 배출량을 높인다는 문제점이 있지만 구연산 활용을 통해 극복이 가능한 것으로 나타났다. 국내 연구팀은 실험실 규모 연구 결과를 바탕으로 해외에서 활용되고 있는 약품보다 사용의 위험성이 낮고 친환경적인 약품을 개발하였으며 파일럿 규모 저장조 시스템에 적용하였다. 돈분뇨를 약 30일 저장하는 동안 1 톤당 약 110 kg CO2 eq.(CH4) 배출되었고 본 연구팀에서 개발한 친환경 약품(특허: 슬러리 타입 가축분뇨 유래 온실가스 및 악취배출 저감제 및 그 제조방법, 특허 10-2019-0093174)을 이용하여 돈분뇨의 pH를 6.0로 낮추자 온실가스 배출량이 85% 이상 감소하였다. 악취(H2S)의 경우, 동일 기간 동안 1 톤당 약 7.0 g의 황화수소가 배출되었으며 약품 첨가 후 60% 이상 줄일 수가 있었으므로 개발 기술이 악취 배출 저감에도 효과적인 것으로 나타났다. 여기서 흥미로운 사실은 파일럿 규모 연구에서의 온실가스 배출량은 실험실(50-60 kg CO2 eq.)에 비해 2배 정도 증가하였다. 원인을 알아보기 위해 실험실 규모 저장조의 저장 온도를 파일럿 규모 저장조와 동일(온도)하게 운전해본 결과, 비슷한 양의 온실가스 배출되는 것이 확인되었다. 돈분뇨 내 유기물이 미생물에 의해 분해될 때, 유기물 에너지의 약 50% 이상이 열로 방출이 된다. 저장량이 작은 경우 대부분 주변으로 열전달이 이루어져 온도가 상승 어렵지만 저장조의 규모가 증가함에 따라 표면적/부피비가 크게 감소하면서 열전달로 인한 손실이 감소하면서 돈분뇨의 온도가 상승하게 되는데, 이러한 돈분뇨의 자가발열 현상이 많은 양의 온실가스를 배출하는 주요 원인으로 판단된다. 저온 저장을 적용한 고형물 함량이 높은 우분에서는 35oC의 조건에서 저장한 경우 약 80일 저장하는 동안 우분의 1 톤당 90 kg CO2 eq.(CH4)이 배출되는 것으로 나타났다. 저장온도가 낮아질수록 그 배출량이 점진적으로 감소하였으며 저장 온도를 35oC에서 25oC까지만 낮추더라도 온실가스 배출량이 50% 이상 감소하는 것이 확인되었다. 일반적인 가축분뇨는 가축의 체온과 유사한 조건에서 잘 성장하는 중온 미생물의 함량이 높지만, 저장 온도의 감소로 인해 주요 미생물들의 활성도를 잃어 온실가스 배출량이 감소한 것으로 판단된다.
최근 낙농 선진국인 덴마크와 프랑스 연구 결과에 따르면 부적절한 조건에서의 가축분뇨 장기 저장이 에너지 잠재량을 크게 낮추는 주요 원인이 될 수 있다고 제기하였듯이 신선한 유기성 폐기물 내에는 바이오가스 생산에 유용한 유기물들이 다량 함유되어 있지만 저장되는 동안 가축분뇨 내 토착미생물에 의해 분해되어 에너지 잠재량이 감소하는 문제가 발생한다. 하지만 본 연구팀에서 개발한 산성화 및 저온 저장 방법은 가축분뇨의 바이오가스 잠재량 보존에도 긍정적인 효과를 보였으며 각 저장 조건에 따라 개발 기술을 적용하지 않고 저장한 가축분뇨에 비해 최소 20%에서 최대 75%까지 바이오가스 잠재량이 증가하는 것으로 나타났다. 특히, 본 연구팀에서 활용한 구연산을 이용한 산성화의 경우, 황산을 이용한 산성화에 비해 바이오가스 잠재량이 상당히 증가하였는데, 이는 가축분뇨가 저장되는 동안 첨가한 구연산이 잘 보존되어 향후 바이오가스로 전환된 것으로 판단된다. 이러한 결과는 가축분뇨 바이오가스화 처리의 적극적 도입을 유도할 수 있는 핵심 기술이 될 수 있을 것으로 예상된다.

실험실 및 파일럿 규모 저장조에서 배출된 온실가스(CH4) 배출량
실험실 및 파일럿 규모 저장조에서 배출된 온실가스(CH4) 배출량

 

- 산성화 및 저온 적용 시 가축분뇨 저장 시 온실가스 배출량 및 바이오가스 잠재량에 미치는 영향 -


맺음말

상기 연구 결과에서 보는 바와 같이 가축분뇨의 저장 방법 개선을 통해 악취뿐만 아니라 온실가스 배출도 원천적으로 감량할 수 있으며, 가축분뇨로부터 바이오가스 생산량 또한 증대시킬 수 있으므로 가축분뇨의 관리 및 처리 문제를 동시에 해결할 수 있을 것으로 기대한다. 그리고 큰 규모의 저장조에서는 가축분뇨의 자가발열 현상으로 인해 예측되는 온실가스 배출량에 비해 실질적으로 더 많은 양이 배출될 수 있으므로 이에 관한 연구가 필요할 것으로 예상된다. 물론 아직까지 연구사례가 많지 않아 온실가스 및 악취 배출을 줄일 수 있는 가축분뇨 저장 방법에 관한 기초 자료 확보 및 원초 기술 개발을 위한 연구가 필요하지만 충분한 데이터가 확보된다면 현재 국내 축산업과 국가가 직면해 있는 다양한 문제들을 혁신적으로 해결해줄 수 있을 것이라 기대한다.

 

 


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